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通信电子线路课程设计实验报告

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2020年4月19日
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通信电子线路课程设计

课程名称 通信电子线路课程设计
专 业 通信工程

7月15日

目录

前言 2
一、课程设计目的 3
二、课程设计的基本要求 3
三、课程设计的题目和要求 3
四、概述 3
4.1 混频器原理及分类 3
4.2 混频器性能指标 6
4.3混频器的干扰 7
4.4 混频器的应用 8
五、方案分析 10
六、单元电路的工作原理 11
6.1．LC正弦波振荡器 11
6.2 模拟乘法器 13
6.3 混频电路 14
6.4 选频电路 15
七、电路性能及干扰分析 16
八、课程设计心得体会 20
九、参考文献 21
附录Ⅰ 电路图 22
附录Ⅱ 元器件清单 23

前言

混频器在通信工程和无线电技术中应用非常广泛。在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM 广播接收机将已调幅信号535KHZ—1605KHZ要变成为465KHZ中频信号，电视接收机将已调48.5M—870M 的图像信号要变成38MHZ的中频图像信号。移动通信中有一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器作为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，因此必须使用混频电路，又如电视差转机收发频道的转换，卫星通讯中上行、下行频率的变换等，都必须采用混频器。由此可见，混频电路是应用电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。
混频器能够将输入的两路信号进行混频，而保持其原信号特征不变，因此混频器是一种频谱搬移电路，混频前后信号的频谱结构并不发生改变。一般用混频器产生中频信号：混频器将天线接收的信号与本地振荡器产生的信号进行混频，当混频的频率等于中频时，这个信号能够经过中频放大器，被放大后可进行峰值检波，然后显示出来。由于本振电路频率随时间不停变化，因此频谱仪在不同时刻收到的频率也是不同的。当本地振荡器频率随时间进行扫描时，示波器就显示出了被检测信号在不同频率上的幅度。常见的混频器有晶体管混频器、二极管混频器、模拟乘法器混频器等。从两信号在时域的处理过程来看，又能够归为叠加性混频器和乘积性混频器两大类。
本文经过模拟乘法器构成的混频器来对接收信号进行频率的转换,变成需要的中频信号。乘积型混频器具有混频输出电流纯净；减少对接收系统干扰；所允许线性动态范围较大，利于减少互调、交调失真；本振电压的大小不会引起信号的失真等优点。但同时也要考虑器件的非理想性导致混频过程出现的干扰，包括组合频率干扰、交叉干扰等，并针对不同的干扰采用不同方法进行克服。

一、课程设计目的
经过课程设计，使学生加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料﹑方案比较，以及设计、计算等环节。进一步提高分析、解决实际问题的能力，创造一个动脑动手﹑独立开展电路实验的机会，锻炼分析﹑解决高频电子电路问题的实际本事，真正实现由课本知识向实际能力的转化；经过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。
二、课程设计的基本要求
1）培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，经过独立思考﹑深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。
2）经过实际电路方案的分析比较，设计计算﹑元件选取﹑安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
3）掌握常见仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。
4）了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。
5）培养严谨的工作作风和科学态度，使学生逐步建立正确的生产观点，经济观点和全局观点。
三、课程设计的题目和要求
设计要求：用模拟乘法器设计一个混频电路，要求输入信号为10MHz正弦波，本振信号为16.465MHz正弦波，输出为465KHz的正弦波，谐振回路选用465KHz。
四、概述
4.1 混频器原理及分类
　混频器将天线上接收到的信号与本地振荡器产生的信号混频，一般由非线性元件和选频回路构成。是多个频率信号进行混和调制，产生一个新频率的调制信号的过程，幅度、频率、波形都将变化。当混频的频率等于中频时，这个信号能够经过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。
从频谱观点看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真地将输入信号从fc搬移到中频的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，能够用相乘器和带通滤波器两个不同频率的高频作用于非线性器件时，经非线性变换，电流中包含直流分量、基波、谐波、和频和差频分量等。其中差频分量就是混频所需要的中频成分，经过中频带通滤波器把其它不需要的频率分量滤掉，取出差频分量完成混频。其原理框图可如下所示：

图1 混频器原理框图
一般变频器应有该四部分组成，即输入回路、模拟乘法器、本机振荡器及选频放大电路。其中本机振荡器用来提供本地震荡信号。输入的高频调幅波（频率为
）与本地正弦波经混频后输出中频调幅波（频率为）。输出的中频调幅波与高频调幅波的调制规律完全相同。只是中心频率由改变为，也就是产生了频谱搬移。高频已调信号的上下边频搬移到中频位置后分别成为了上下边频。
其基本原理为：

图2中，Us(t)为输入信号，Uc(t)为本振信号。Ui(t)输出信号。
分析：当
则
=
=
其中：
对上式进行三角函数的变换则有
：
从上式可推出，Up(t)含有两个频率分量和为(ψc+ψS)，差为(ψC-ψS)。若选频网络是理想上边带滤波器则输出为．若选频网络是理想下边带滤波器则输出：．工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有ψc >>ψS．往往混频器的选频网络为下边带滤波器，则输出为差频信号，为接收机的中频信号。衡量混频工作性能重要指标是混频跨导。规定混频跨导的计算公式：
混频跨导g：输出中频电流幅度偷入信号电压幅度。
混频器可按照不同标准具有不同的分类：
1）从工作性质可分为二类，即加法混频器和减法混频器分别得到和频及差频。
　　2）从电路元件也可分为三极管混频器和二极管混频器。
　　3）从电路分有混频器（带有独立震荡器）和变频器（不带有独立震荡器）。
4.2 混频器性能指标
1）噪声系数
　　混频器的噪声定义为：NF=Pno/Pso，Pno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时，传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括信号源热噪声，内部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。
2）变频损耗
　　混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。
3）1dB压缩点
　　在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低6dB。
4）动态范围
　　动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，一般对应混频器的1dB压缩点。
5）双音三阶交调
　　如果有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fLo一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，一般见三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增加2dB。
6）隔离度
　　射频混频器的隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。
7）本振功率
　　混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改进（1dB压缩点上升，三阶交调系数改进）。
8）端口驻波比
　　端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。
9）中频剩余直流偏差电压
　　当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，输出应为零。但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将在中频输出一个直流电压，即中频剩余直流偏差电压。这一剩余直流偏差电压将影响鉴相精度。
4.3 混频器的干扰
1）信号与本振组合频率干扰（噪音干扰）
　　信号频率和本振频率的各次谐波之间、干扰信号与本振信号之间、干扰信号与信号之间以及干扰信号之间，经非线性器件相互作用会产生很多的频率分量。在接收机中，当其中某些频率等于或接近于中频时，就能够须利地经过中频放大器，经解调后，在输出级引起串音、噪音和各种干扰，影响有用信号的正常接收。
形成的条件：

一般因此上式可为：

　2）外来干扰与本振的组合频率干扰（副波道干扰）
　　外来干扰与本振电压产生的组合频率干扰称为寄生通道干扰。

图3 外来干扰
　3）交叉调制干扰（交调干扰）
　　当有用信号和干扰信号两种调幅波均加至混频器输入端时，由于混频器非线性作用，使干扰信号的包络转移到中频信号上 。交叉调制的产生与干扰台的频率无关，任何频率较强的干扰信号加到混频器的输入端，都有可能形成交叉调制干扰。
　　4）互调干扰
　　两个（或多个）干扰信号，同时加到混频器输入端，由于混频器的非线性作用，两干扰信号与本振信号相互混频，产生的组合频率分量若接近于中频，它就能顺利地经过中频放大器，经检波器检波后产生干扰。
　　5）包络失真与阻塞干扰
　　因此对差中频进行选频并抑制产生的有害谐波分量，对影响混频的两种干扰（镜像干扰、中频干扰）抑制，尽量减少谐波分量的产生，对镜像频率实行再利用是很有必要的。 每一种干扰均有对应的数学关系。
4.4 混频器的应用
1）频率变换
这是混频器的一个众所周知的用途。常见的有双平衡混频器和三平衡混频器。三平衡混频器由于采用了两个二极管电桥。三端口都有变压器，因此其本振、射频及中频带宽可达几个倍频程，且动态范围大，失真小，隔离度高。但其制造成本高，工艺复杂，因而价格较高。
2）鉴相
理论上所有中频是直流耦合的混频器均可作为鉴相器使用。将两个频率相同，幅度一致的射频信号加到混频器的本振和射频端口，中频端将输出随两信号相差而变的直流电压。当两信号是正弦时，鉴相输出随相差变化为正弦，当两输入信号是方波时，鉴相输出则为三角波。使用功率推荐在标准本振功率附近，输入功率太大，会增加直流偏差电压，太小则使输出电平太低。
3）可变衰减器/开关
此类混频器也要求中频直流耦合。信号在混频器本振端口和射频端口间的传输损耗是有中频电流大小控制的。当控制电流为零时，传输损耗即为本振到射频的隔离，当控制电流在20mA以上时，传输损耗即混频器的插入损耗。这样，就可用正或负电流连续控制以形成约30dB变化范围的可变衰减器，且在整个变化范围内端口驻波变化很小。同理，用方波控制就可形成开关。
4）相位调制器（BPSK）
此类混频器也要求中频直流耦合。信号在混频器本振端口和射频端口间传输相位是由中频电流的极性控制的。在中频端口交替地改变控制电流极性，输出射频信号的相位会随之在0°和180° 两种状态下交替变化。
5）正交相移键控调制
QPSK是由两个BPSK、一个90度电桥和一个0度功分器构成。I/Q调制/解调器调制与解调实为相互逆反的过程，在系统中是可逆。这里主要介绍I/Q解调器，I/Q解调器由两个混频器、一个90度电桥和一个同相功分器构成。
6）像抑制混频器
镜像频率的滤波器一般都是固定带宽的。但当信号频率改变时，镜频频率也随之改变，可能移出滤波器的抑制频带。在多信道接收系统或频率捷变系统中，这种滤波器将失去作用。这时采用镜频抑制混频器，本振频率变化时，由于混频器电路内部相位配合关系，被抑制的镜频范围也将随之改变，使其仍能起到镜频抑制的作用。由于电路不是完全理想特性，存在幅度不平衡和相位不平衡，可能使镜像抑制混频器的电性能发生恶化，下图为幅度不平衡和相位不平衡对电性能加以说明。
7）边带调制器
信道发射系统中，由于基带频率很低若采用普通混频器作频谱搬移，则在信道带宽内将有两个边带，从而影响频谱资源的利用。这时可采用单边带调制器来抑制不需要的边带，其基本结构为两个混频器、一个90度功分器和一个同相功分器。将基带信号分解为正交两路与本振的正交两路信号混频，采用相位抵消技术来抑制不需要的边带，本振由于混频器自身的隔离而得到抑制。
五、方案分析
设计要求为用模拟乘法器设计一个混频电路，要求输入信号为10MHz正弦波，本振信号为16.465MHz正弦波，输出为465KHz的正弦波，谐振回路选用465KHz。
经过对设计题目的分析，要想得到465KHZ的输出信号，是不可能经过一次混频直接得到的，必须要经过二次混频。在经过10MHZ和16.465MHZ第一次混频后会出现两个频率分量：26.465MHZ和6.465MHZ的输出信号。我们在这里选择6.465MHZ的差频输出信号作为二次混频的输入信号，选择6.93MHZ的信号作为二次混频的本振信号。这样在最终的相乘器输出端里就含有我们所需要的465KHZ的信号。
输入信号和本地震荡信号均采用正弦信号进行模拟仿真。考虑到接收端接收信号同发送端的标准正弦信号相比遭受高斯噪声、多径衰落、频率选择性衰落等多因素干扰，本方案采用LC振荡电路作为输入信号发生器，更加贴合实际通信环境中接收端所收到的受损正弦波。本地震荡信号则采用软件中提供的交流电压源来精确代表实际通信电路中的本地震荡信号。
由于我们的设计是经过软件模拟来实现，所用的软件版本中没有MC1496芯片，在方案里选用相乘器来代替该芯片得到差频与和频信号，相乘器可入下图所示：

图3 相乘器符号
选频滤波部分由于模拟软件中不存在干扰和误差，我们采用结构较为简单的无源带通滤波器，它由高通滤波器和低通滤波器组成。我们在一次混频后利用带通滤波器选出需要的差频信号，使其进入二次混频。在二次混频后再利用带通滤波器筛选出需要的中频信号。总设计框图可如下所示：

图4 混频器设计框图
六、单元电路的工作原理
6.1．LC正弦波振荡器
本次设计采用LC电容三点式反馈电路，也叫考毕兹振荡电路。利用电容将谐振回路的一部分电压反馈到基极上，而且也是将LC谐振回路的三个端点分别与晶体管三个电极相连，因此这种电路叫电容三点式振荡器。
三点式LC振荡器的相位平衡条件是，在LC谐振回路，，与﹑性质相反，当﹑为电容，就是电感；当﹑为电感，就是电容。
在LC三点式振荡器电路中,如果要产生正弦波，必须满足振幅平衡条件：即满足。
由相位平衡条件和振幅平衡条件可得：

选取，故选用2N2222A三极管。2N2222A是NPN型三极管，属于低噪声放大三极管。本电路的三极管采用分压偏置电路，为了使三极管处于放大状态，必须满足：电流

电压

由此能够确定R1=2.2K，R2=5.1K，R3=2K。
正弦波的输出信号频率=10MHz，电路连接如图5所示

图5 LC正弦波振荡器
R2﹑R3﹑R4组成支流偏置电路，R5是集电极负载电阻，L1﹑C5﹑C3﹑C4构成并联回路，其中R6用来改变回路的Q值，C1﹑C3为耦合电容，L2﹑C6﹑C7构成了一个去耦电路，用来消除电路之间的相互影响。其交流通路如图6所示。

图6 交流通路图
根据设计要求，正弦波振荡器输出频率为10MHz，故由此能够大概确定L1﹑C4﹑C5的数值，再经过仿真进行调试最终确定其参数。电路的谐振频率为

f，静态工作点为
满足振荡器的起振条件，设计基本符合设求。
6.2 模拟乘法器
用模拟乘法器实现混频，就是在端和端分别加上两个不同频率的信号，相差一中频，再经过带通滤波器取出中频信号，其原理方框图如图7所示：
通频带滤波器
U

图7 混频原理框图
若

则 取差频 , 为所需要的中频频率。
6.3 混频电路
将LC振荡器和本地振荡器产生的信号经由模拟乘法器得出中频信号的过程为一次混频，其电路图可如下所示：

图8 一次混频电路
根据电路的设计分析，将一次混频后的差频信号经过带通滤波器后再和本地震荡信号进行二次混频，其电路图可如下所示：

图9 二次混频电路
6.4 选频电路

图10 一次混频后的带通滤波器
图10是用来滤除由16.465MHZ的正弦波和10MHZ的正弦波混频后产生的26.465MHZ波形，留下6.465MHZ的波形。
通带上边带截止频率：===7.23MHZ
通带下边带截止频率：===6.12MHZ
带通滤波器的同频带6.12MHZ—7.23MHZ
则滤除26.465MHZ，保留6.465MHZ

图11 二次混频后的带通滤波器
图11是用来滤除由外加本振信号6.93MHZ和6.465MHZ混频后产生的13.395MHZ，留下465KHZ的信号。
通带上边带截止频率：===469.5KHZ
通带下边带截止频率：===460KHZ
带通滤波器的同频带460KHZ—469.5KHZ
滤除13.395MHZ，保留465KHZ
设计的带通滤波器的幅频特性如图所示：

图12 带通滤波器波特图
由图可知：所需要选择的频率465KHZ落在了通频带范围内，而且有较好的滤波特性。
七、电路性能及干扰分析
根据模拟电路可得知各点波形及其相关数据，其具体数据可如下图所示：

图13 LC振荡器产生的正弦波

图14 一次混频后的波形

图15 经过滤波的一次混频后的波形

图16 二次滤波后的波形

图17 最终输出中频信号

图18 中频信号的一个周期
由上图可知，因此
由于一次混频后和二次混频后的波形均为非正弦信号，我们在该点对波形进行频谱分析可得知一次混频后的波形是由频率为6.465MHz的正弦波、16.465MHZ和26.465MHZ的正弦波合成所得，二次混频后的波形是由频率为465KHZ的正弦波和13.395MHZ的正弦波合成所得。

图19 一次混频后的频谱分析

图20 二次混频后的频谱分析
同时最终输出频率为465KHZ，在得出最终波形后，我们若计算出最后正弦波的频率和预期频率相同，则结果可取。
下边依次对其中的两个干扰频率分量进行分析：之因此会出现13.395MHZ的干扰分量是因为在二次混频的时候，我们输入的频率为6.465MHZ的输入信号和二次混频的频率为6.93MHZ的本振信号之间的干扰产生的。出现26.465MHZ的干扰分量是因为在第一次混频的时候由于频率为10MHZ的输入信号与一次混频的频率为16.465MHZ的本振信号之间产生的干扰。
在采用本方案时，调试过程中出现最后生成的波形不是流畅的正弦波而且波峰和波谷略有损失的正弦波，如下图21所示：

图21 输出的正弦波
由于LC振荡器生成的波形相对于本地震荡器产生的标准正弦波略有失真，则不能完全生成标准正弦波，而是略有损失的正弦波。这并不是本方案的缺点，反而更能解释实际情况中正弦波的接收和混频，具有更好的推广价值。
结论:有计算值与仿真值的比较可得,本设计基本完成了设计要求，而且由示波器可观察到相应的波形，仿真值基本满足要求，说明电路各部分均正常工作。美中不足的是仿真结果同理论值仍存在一定的误差，需要进一步改进电路的性能，使电路更加精确和抗干扰能力更强。但该电路较好的模拟了实际情况中输入两电压幅值不相等、接收正弦波波形受损等多种情况，具有较好的实用性。
八、课程设计心得体会
本次课程设计的题目是混频器的设计，主要应用了通信电子线路中三方面内容，分别是电容三点式振荡电路、模拟乘法器和选频电路。经过查找资料，结合书本中所学的知识，并在遇到不懂的问题时询问老师顺利的完成了课程设计的内容。把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于加强我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。
在这次的课程设计过程中，我学到了很多，课程设计不但仅是让我们去“设计”，更重要的是培养我们的思维能力。经过本次课程设计使我对通信电子线路又有了进一步的了解，认识到通信电子线路不再是书本上抽象冷漠的内容，而是能够去应用去动手来完成通信科学中常见器件的一门基础并相当重要的学科。
本次课程设计教会我查阅资料的重要性，经过查阅资料我找到了许多与课程设计题目有关的内容，包括学长学姐的一些课程设计结果，在借鉴这些成果的基础上顺利进行了课程设计。虽然在课程设计过程中有很多困难，但经过老师和同学的指导帮助和我的努力都一一克服了，也增强了我的自信心。
同时经过本次课程设计也使我自己明白遇到一个问题的时候必须要具备素质是冷静和理智，这个很关键表示我们课设结果的过程中非常重要，能不能把我们自己设计的东西讲出来，能不能让检查老师在最短的时间内将你的作品了解，并充分体现自己设计过程中的思路。另外就是前后知识的链接，甚至是跨科目的链接，这些都是十分的重要。总之，这次课程设计让我收获良多，也十分感谢陪伴我们两周的老师，你们辛苦了。
九、参考文献
1、杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计(修订版)[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, .
2、严国萍,龙占超.通信电子线路[M].北京:科学出版社,
3、市川裕一（日）.高频电路设计与制作[M]. 北京:科学出版社, .
4、于红珍.通信电子电路[M].北京:科学出版社,
附录Ⅰ 电路图

附录Ⅱ 元器件清单

序号
编号
元件名称
型号
数量
1
C1、C2、C6、C7
电容
10nF
4个
2
C3
电容
153pF
1个
3
R10
电阻
15K
1个
4
R9, R5
电阻
1.0k
2个
5
L1
电感
10uH
1个
6
A1、A2
模拟乘法器
MC1496
1个
7
C7, C6
电容
1.6pF
2个
8
C12
电容
1.0nF
1个
9
C11, C10
电容
10nF
2个
10
Q2
三极管
2SC945
1个
11
R8
电阻
6.2k
1个
12
R7
电阻
15k
1个
11
C4
电容
120pF
1个
12
C5
可变电容
350pF
1个
13
C9, C8, C2, C1
电容
10nF
4个
14
L2
电感
330uH
1个
15
L1
电感
10uH
1个
16
Q1
三极管
2N2222A
1个
17
C3
电容
100pF
1个
18
R6
电阻
110k
1个
19
R4
电阻
2.0K
1个
20
R3
电阻
2.2k
1个
21
R2
可变电阻
100K
1个
22
R1
电阻
5.1k
1个
23
V1
高频信号源
16.465MHz
1个
24
V2
高频信号源
6.93MHZ
1个